工程材料学课程习题及答案.doc

工程材料习题一、晶向、晶面指数习题 在立方晶系的单位晶胞上作图表示 (1 1 1)、(1 1 0)、(1 0 0) 晶面和 1 1 1、1 1 0、0 0 1、1 0 0、0 1 0 晶向。XYZ(1 1 0)(1 1 1)Z解YXYZ(1 0 0)XYZ1 1 1XXYZ0 0 1XXYZ1 1 0XYZ0 1 0XYZ1 0 0二、Fe-C相图类提示 Fe-C相图是确定钢热处理、铸造、锻造、焊接加热工艺的依据，应熟练掌握相图的绘制、不同成分钢的冷却相变过程及室温组织。习题 画出 Fe-Fe3C合金相图 （要求标明B、E、C、F、P、S点的成分及共晶线和共析线的温度），分析含碳量0.4% （0.7%、0.77%、1.0% ）的铁碳合金从液态缓冷到室温时的结晶过程（要利用文字和冷却曲线加以说明），画出室温组织的示意图并利用杠杆定律计算其组织组成物的相对质量分数。分析 Fe-Fe3C相图看似复杂，但若掌握规律就容易了。相图由包晶相变、共晶相变、共析相变三部分组成。绘制时应先绘制三条水平线、确定水平线的温度及每条线上的三个成分点，然后再连接其余曲线即可。Fe-C相图含碳量分为亚共析钢（0.0218% C 0.77% ）、共析钢（0.77% C ）和过共析钢（0.77 % C 2.11%）三大类型，其区别在于有先共析铁素体析出、无先共析铁素体和无二次渗碳体析出、有二次渗碳体析出。解1、铁碳相图Fe-C相图见图1.0，要求各相区、线、字母、温度要准确。图1.0 Fe-Fe3C 合金相图温度/0.530.02186.692、共析钢（0.77%C）（1）结晶过程分析冷却曲线见图2.1。在Fe-C相图中要画出表示合金成分的垂线（图中虚线）；冷却曲线中要标明交点及点的顺序；冷却曲线点的顺序要和相图中垂线一致，恒温转变为水平线。1点以上：液态；1-2点：匀晶转变析出奥氏体，L ；2-3点：降温阶段，无组织变化；3-3 / 点：奥氏体发生共析转变，转变为珠光体，（P）；3 / 点到室温，从铁素体中析出少量三次渗碳体Fe3C。13123/4234图2.1 0.77% 钢的冷却曲线（2）室温组织显微组织为珠光体，见图2.2。示意图要表明珠光体为层片状。（3）质量分数组织组成物为“铁素体”和“渗碳体”，以 0.77% （合金碳含量）为支点，分别以 0.0008% （铁素体碳含量）和 6.69% （渗碳体碳含量）为端点，计算两者的质量分数分别为：图2.2 0.77% C钢的室温组织示意图P铁素体 Q = ( 6.690.77 ) / (6.69-0.0008 ) 100% = 88.5%渗碳体 Q Fe3C = 100% - 88.5% = 11.5%0.770.00086.693、亚共析钢（0.09% C 0.77% ）亚共析钢按含碳量又分为发生包晶反应（0.09% C 0.53%）和不发生包晶反应（0.53% C 0.77%）的两类，分述如下。3.1 发生包晶反应的亚共析钢 以0.4 % C钢为例（1）结晶过程分析 冷却曲线见图3.1，要求与共析钢的相同。和共析钢比，有三点不同，多“匀晶转变L 、包晶反应 L + 和从 中析出 ”。1 点以上：液相；1-2 点：匀晶析出 铁素体，L ；2-2/ 点： 铁素体与液相发生包晶转变，生成奥氏体；2/-3 点：剩余的液相匀晶析出奥氏体， L ；3-4 点：奥氏体降温阶段，无组织变化；4-5点：奥氏体晶界上开始析出铁素体， ；5-5/ 点：剩余奥氏体的成分到达 S 点，共析转变为珠光体；5/ 点以下：从铁素体中析出很少量的三次渗碳体， Fe3C。（2）室温组织为铁素体+珠光体，示意图要表明珠光体为层片状，铁素体为等轴状，见图3.2。（3）质量分数组织组成物为 “铁素体”和“珠光体”。以 0.4% （合金碳含量）为支点，分别以0.0008%（铁素体碳含量）和0.77%（珠光体碳含量）为端点，两者的质量分数分别为：QP = (0.40.0008) /(0.770.0008) 100% = 51.9%，Q a = 100%58.40% = 48.1%。0.40.00080.772/123455/图3.1 0.4 % 钢的冷却曲线图3.2 0.4% C钢的室温组织示意图FP3.2不发生包晶反应的亚共析钢 以0.7 % C钢为例（1）结晶过程分析 冷却曲线见图4.1，要求与共析钢的相同。和 0.53% C 的亚共析钢比，没有包晶相变；和共析钢比，多“从中析出 ”。1点以上：液相；12点：匀晶转变析出奥氏体，L ；23 点奥氏体降温阶段，无组织变化；34点：奥氏体晶界上开始析出铁素体， ；44/ 点：剩余奥氏体的成分到达S点，共析转变为珠光体，；4/ 点以下：从铁素体中析出很少量的三次渗碳体， Fe3C。123412344/0.70.00080.77图4.2 0.7 % C钢的室温组织示意图FP图4.1 0.7 % 钢的冷却曲线（3）室温组织为铁素体+珠光体，其中珠光体比0.4%C 的多。示意图要表明珠光体为层片状，铁素体为等轴状，见图4.2。（4）质量分数组织组成物为 “铁素体”和“珠光体”。以 0.7 % （合金碳含量）为支点，分别以0.0008%（铁素体碳含量）和 0.77%（珠光体碳含量）为端点，两者的质量分数分别为：QP = (0.70.0008) /(0.770.0008) 100% = 90.9% ；Q a = 100%77.9% = 9.1% 。3、过共析钢（0.77 %C 2.11% ，以1.0 % C钢为例）（1）结晶过程分析冷却曲线见图5.1，要求与共析钢的相同。和共析钢比，有一点不同，多“从奥氏体中析出二次渗碳体， Fe3C ”。1 点以上：液相；1-2 点：匀晶转变析出奥氏体，L ；2-3 点：奥氏体降温阶段，无组织变化；3-4点：从奥氏体晶界上开始析出二次渗碳体，呈网状分布， Fe3C ；4-4/ 点：剩余奥氏体的成分到达 S点，共析转变为珠光体，；4/ 点以下：从铁素体中析出少量三次渗碳体， Fe3C 。图5.1 1.0 % C 钢的室温组织示意图12344 /图5.2 1.0 % 钢的室温组织示意图PFe3C（2）室温组织为珠光体+二次渗碳体，示意图要表明珠光体为层片状，二次渗碳体呈网状，见图5.2。（3）质量分数组织组成物为“珠光体”和“渗碳体”。以 1.0 % （合金碳含量）为支点，分别以0.77%（珠光体碳含量）和6.69%（渗碳体碳含量）为端点，两者的质量分数分别为：Q P =（6.691.0）/（6.690.77） 100 % = 96.1 % ；Q Fe3C = 100%96.1 % = 3.9 % 。1.00.776.69三、C曲线类提示 连续冷却曲线（C曲线）是确定钢热处理、铸造、锻造、焊接冷却时显微组织的依据，需熟练掌握。应知晓A1、Ms、Mf、开始线、终了线及各区的含义。共析钢常用的5种热处理工艺、冷却方式及相应的显微组织如表1所示。表1 C曲线冷却工艺及组织热处理工艺冷却方式显微组织退火炉冷珠光体正火空冷索氏体水冷淬火水冷马氏体 + 残余奥氏体油冷淬火油冷托氏体 + 马氏体 + 残余奥氏体等温淬火硝盐等温冷却下贝氏体习题 画出共析钢的C曲线，并在其上示意地绘出共析钢退火、正火、油冷淬火、等温淬火、淬火的工艺曲线，写出所得组织。A1MSMf 温度时间S图6 共析钢的C曲线油冷解 共析钢连续冷却曲线（C曲线）、各种热处理工艺冷却曲线如图6所示，相应的冷却方法及显微组织见表1。四、材料牌号类提示 金属材料特别是钢的牌号繁多，难度较大，但若掌握规律、特点，则方便理解、记忆。下面举例说明其规律。习题 说明下列各牌号金属材料所属类别（钢按用途分类），元素含量或性能指标，并指出用途和最终热处理的工艺名称及获得的组织。1、工程结构钢类Q235 工程结构钢，最低屈服强度不低于235MPa，工程结构用。2、优质碳素结构钢类08F 优质碳素结构钢，0.08%C，薄板冲压件，不热处理强化。20钢 优质碳素结构钢，0.2%C，渗碳钢，齿轮等。渗碳+淬火+低温回火，回火马氏体。45钢 优质碳素结构钢，0.45%C，调质钢，轴等零件。调质处理（淬火+高温回火），回火索氏体。 3、优质碳素工具钢类T10 优质碳素工具钢，1.0%C。刃具、冷模具，淬火+低温回火，M回+碳化物（Fe3C）+少量A残。4、合金渗碳钢类20CrMnTi 合金渗碳钢，0.2%C，1%Cr，1%Mn，1%Ti。齿轮等零件，渗碳+淬火+低温回火，回火马氏体。5、合金调质钢类40CrNiMo合金调质钢，0.4%C，1%Cr，1%Ni，1%Mo。轴等零件，调质处理（淬火+高温回火），回火索氏体。6、合金弹簧钢类65Mn 合金弹簧钢，0.65%C，1%Mn。弹簧，淬火+中温回火，回火托氏体。60Si2Mn 合金弹簧钢，0.60%C，2%Si，1%Mn。弹簧，淬火+中温回火，回火托氏体。50CrV 合金弹簧钢，0.50%C，1%Cr，1%V。弹簧，淬火+中温回火，回火托氏体。7、滚动轴承钢类GCr15 滚动轴承钢 1.0%C，1.5%Cr。轴承，淬火+低温回火，回火马氏体+碳化物+少量A残。8、合金工具钢类9SiCr 刃具钢或冷模具钢 0.9%C，1%Si，1%Cr。淬火+低温回火，回火马氏体+碳化物+少量A残。W18Cr4V 刃具钢，0.8%C，18%W，4%Cr，1%V。淬火+560三次回火，回火马氏体+碳化物+少量A残。Cr12MoV 冷模具钢，1.2%C，12%Cr，1%V。冷冲模等，淬火+低温回火，回火马氏体 + 碳化物 +少量A残。注：该钢520回火，仍然为回火马氏体。5CrNiMo 热模具钢，0.5%C，1%Cr，1%Ni，1%Mo。热锤锻模等，淬火+高温回火，回火索氏体；淬火+中温回火，回火托氏体。9、不锈钢类1Cr13 马氏体不锈钢，0.1%C，13%Cr。耐蚀的结构件，淬火+高温回火，回火索氏体。0Cr18Ni10 奥氏体不锈钢，0.1%C，18%Cr，9%Ni，耐蚀的结构件，固溶处理+稳定化处理，奥氏体。10、耐磨钢类ZGMn13 耐磨钢，1%C，13%Mn。耐磨件，水韧处理1050固溶处理+水冷，奥氏体，变形后马氏体。11、灰口铸铁类HT350 灰口铸铁，最低抗拉强度350MPa。12、可锻铸铁类KTH330-08 黑心可锻铸铁，最低抗拉强度330MPa，最低延伸率8%。13、球墨铸铁类QT600-3 球墨铸铁，最低抗拉强度600MPa，最低延伸率3%。14、蠕墨铸铁类RuT260 蠕墨铸铁，最低抗拉强度260 MPa。15、铸造铝合金类ZAlSi12 铸造铝硅合金，12%Si。16、黄铜类HPb59-1 铅黄铜，含59%Cu，1%Pb，余量为Zn。五、选材类提示 根据给定的零件，分析其服役条件，合理选材及制定加工工艺路线及热处理工艺，知晓材料显微组织和性能之间的关系，是学习本门课程的最终目的，应熟练掌握。习题 某公司计划生产下列零件，（1）选用一种材料，写出牌号；（2）编写加工工艺路线；（3）回答各热处理工序的目的及使用状态下的组织。（1）普通机床变速箱齿轮（2）汽车半轴（3）承受中等载荷、转速不高的机床主轴（4）内燃机曲轴（5）汽车变速箱齿轮（6）汽车活塞销（7）弹簧说明 此7种类型几乎包括了所有的零件类型，若完全掌握，则完全可以胜任零件设计的选材工作。解 1、普通机床变速箱齿轮（详见教材189页） 选材：45钢、40Cr等。 加工工艺路线：下料锻造正火粗加工调质精加工高频淬火、低温回火精磨。 热处理工序目的见附录。 组织：心部：回火索氏体，表面高频淬火层：回火马氏体。2、汽车半轴 （详见教材196页） 选材：45、40Cr、40CrNi。半轴的寿命主要取决于花键齿的抗压陷和耐磨损性能，因此要表面强化。 加工工艺路线：下料锻造正火粗加工调质精加工花键齿部分高频淬火、低温回火喷丸。 热处理工序目的见附录。 组织：心部：回火索氏体，花键齿处表面高频淬火层：回火马氏体。3、承受中等载荷、转速不高的机床主轴 （详见教材191页） 选材：45钢、40Cr等。 加工工艺路线：锻造正火粗加工调质精加工轴颈表面淬火及低温回火磨削加工。 热处理工序目的见附录。 组织：心部回火索氏体，轴颈表面高频淬火层：回火马氏体。4、内燃机曲轴（1）铸铁曲轴 （详见教材192页） 选材：可选QT700-2,其加工工艺路线如下： 加工工艺路线：铸造高温正火高温回火切削加工轴颈气体渗氮。 高温正火获得珠光体基体（强度比铁素体基体的高）；高温回火，消除正火产生的残余应力。组织：基体珠光体 + 球状石墨。（2）锻钢曲轴 选材：40Cr、42CrMo等。 加工工艺路线：锻造正火粗加工调质精加工轴颈氮化低温去应力退火。 热处理工序目的见附录。 组织：心部：回火索氏体，轴颈表面：氮化层（氮化物）。5、汽车变速箱齿轮 （详见教材189-190页） 选材：20CrMnTi。 加工工艺路线：下料锻造正火切削加工渗碳、淬火及低温回火喷丸磨削加工。 热处理工序目的见附录。 组织：心部：低碳的回火马氏体；表面渗碳层：高碳的回火马氏体+碳化物+少量A残余。注：渗层是否含有“碳化物”依淬火温度而定，如果淬火温度超过Accm，则没有“碳化物”。6、汽车活塞销 选材：20钢、20Cr、20CrMnTi。 加工工艺路线：下料锻造正火切削加工渗碳、淬火及低温回火磨削加工。 热处理工序目的见附录。 组织：心部：低碳的回火马氏体；表面渗碳层：高碳的回火马氏体+碳化物+少量A残余。注：渗层是否含有“碳化物”依淬火温度而定，如果淬火温度超过Accm，则没有“碳化物”。7、弹簧 选材：65Mn、60Si2Mn等。 加工工艺路线：汽车板簧：热轧钢带（板）冲裁下料压力成型淬火中温回火喷丸强化。火车螺旋弹簧：热轧钢棒下料两头制扁热卷成形淬火中温回火喷丸强化端面磨平。 热处理工序目的见附录。 组织：回火托氏体。附录 上述加工工艺路线中“热处理工序的作用”总结如下：1、正火组织：索氏体。目的：改善组织；细化晶粒；调整硬度，提高切削加工性能。说明：正火为淬火前的预先热处理，为淬火做组织准备。2、调质组织：回火索氏体。目的：获得良好的综合力学性能（足够的强度，高的塑韧性）。说明：3、高频感应表面淬火+低温回火组织：淬火获得“马氏体”；低温回火获得“回火马氏体”。目的：提高表面的硬度、耐磨性和疲劳强度。说明：齿轮、凸轮轴等机械零件，既要求心部有良好的综合力学性能，又要求表面耐磨、高的疲劳强度，为此先对零件整体进行调质，获得良好的综合力学性能；然后在调质的基础上，再对单独表面进行强化，以提高表面的硬度、耐磨性和疲劳强度。表面淬火是为表层获得马氏体，以硬化表层，但马氏体脆性大，且有很大的残余应力，所以要低温回火，以降低脆性和残余应力。低温回火是为在保持高硬度、耐磨性、疲劳强度的同时，降低脆性和残余应力。如果采用中温或高温回火，则硬度、耐磨性下降过多。4、氮化+低温去应力回火组织：氮化组织（氮化物+含氮相）目的：提高表面耐磨性。（其耐磨性高于渗碳的）说明：对于曲轴等零件，同样要求心部要有良好的综合力学性能，但又要求轴颈等部位要有非常高的耐磨性。所以也是先调质，再对局部表面进行氮化，氮化后，再低温去应力退火，消除氮化冷却时形成的残余应力。5、渗碳、淬火及低温回火组织：心部低碳回火马氏体，表面高碳回火马氏体。目的：渗碳：提高表面碳浓度；淬火：获得马氏体，提高心部强度，提高表面硬度、耐磨性；低温回火：在保持高强度（心部）、高硬度（表层）的同时，降低马氏体的脆性和残余应力。说明：齿轮、活塞销等零件，既要求心部高强度、高韧性，又要求表面耐磨、疲劳强度高。为此选用含碳量0.2%C的钢，以使心部能够获得高的的强度和韧性；再对其表面进行渗碳，以提高表层碳浓度，约1%C左右。淬火是为了获得马氏体，提高心部的强度、表面的硬度和耐磨性。低温回火是为了在保持高强度（心部）、高硬度（表层）的同时，降低马氏体的脆性和残余应力。如果采用中温回火或高温回火，其强度、硬度将损失太多，故应该采用低温回火。6、淬火+中温回火组织：回火托氏体。目的：提高弹簧的弹性。说明：淬火是为强化，中温回火是为了获得高的弹性极限。如果采用低温回火，马氏体的脆性降低得不多，弹簧太脆，容易断裂，另外，弹性也不高；如果采用高温回火，则强度损失过多，弹性极限太低，故以中温回火最为合适。六、热加工部分提示 掌握铸造、锻造、焊接的特点、优缺点等基础知识。1.简述铸造生产的优缺点。优点：零件的形状复杂；工艺灵活；成本较低。缺点：机械性能较低；精度低；效率低；劳动条件差。2.与砂型铸造相比，特种铸造有何特点？铸件精度和表面质量